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(1. 南京农业大学 工学院, 江苏 南京 ; 2. 南京农业大学 江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室, 江苏 南京 )

摘要：餐厨垃圾成分复杂多样,含多种有机质及无机盐,夏季高温条件下易腐烂变质、散发恶臭,为降低餐厨垃圾在收集、储存环节的变质速率,对社区住宅的餐厨垃圾在处理前进行短时间降温,基于湿帘-风机降温装置设计了一种智能温控垃圾箱.垃圾箱内部分布若干温度传感器,采用西门子PLC进行控制,通过编程设定湿帘-风机装置的执行条件,利用PID算法进行软件优化,通过触摸屏实现数据可视化,实现湿帘-风机系统的智能化调控,维持垃圾箱内部温度在设定范围.经过系统调试及试验验证,结果表明:智能温控系统检测误差小于0.5 ℃,达到精度要求;在室外温度高达35 ℃时,垃圾箱内平均温度维持在25 ℃左右,满足餐厨垃圾的恒温储存要求.

关键词：垃圾箱; 餐厨垃圾; PLC; 智能温控; 恒温

(1. College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu , China; 2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment of Jiangsu Province, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu , China)

Abstract：Kitchen waste is composed of complex and diverse ingredients with a variety of organic matter and inorganic salts, which is perishable and foul-smelling under high temperature conditions in summer. To reduce the deterioration rate of kitchen waste in the collection and storage process and cool down the kitchen waste in community residences for short time before treatment,the intelligent temperature-controlled dustbin was designed based on the fan-pad cooling device. Several temperature sensors were distributed inside the dustbin and controlled by Siemens PLC.The execution conditions of the fan-pad cooling device were programmed, and the PID algorithm was used for software optimization, while the data was visualized by touch screen. The intelligent control of the fan-pad cooling system was realized to maintain the internal temperature of the dustbin in the set range,and the system debugging and test verification were conducted. The results show that the detection error of the intelligent temperature control system is less than 0.5 ℃, which meets the accuracy requirements. When the outdoor temperature is as high as 35 ℃, the average temperature in the dustbin can be maintained at about 25 ℃, which meets the constant temperature storage requirements of kitchen waste.

Key words：dustbin; kitchen waste; PLC; automatic temperature control; constant temperature

餐厨垃圾成分复杂,富含蛋白质、脂肪、碳水化合物及无机盐等[1],易腐化变质、滋生细菌、散发恶臭,尤其高温环境下更为明显[2-3].目前我国处理生活垃圾的方式普遍为大型垃圾处理站集中处理模式,在餐厨垃圾收储运环节[4-5],主要由社区住宅放置垃圾桶暂存餐厨垃圾,定时运输至垃圾处理站点,夏季餐厨垃圾运输处理前易腐臭,影响社区环境.

湿帘-风机装置主要包括湿帘墙、负压风机、水循环系统,其工作原理如下:水浸润湿帘,风机抽风形成垃圾箱内的负压条件,气流由湿帘墙经过垃圾箱排出,带走箱内热空气,达到降温目的[6-7].湿帘-风机系统结构简单,广泛应用于我国设施农业的建设中,主要包括蔬菜种植和畜禽养殖温室等[8].作为一种低成本、低能耗的降温装置,湿帘-风机系统也应用于车间、工厂等相对空旷的空间.随着自动化水平的提高,温室大棚告别传统的生产模式,通过自动化控制手段[9],自动检测并调节内部环境,以达到更高的生产水平[10].PLC控制系统对比单片机控制系统具有操作简单、稳定性高的特点[11],温室内环境变化较为复杂,目前PLC控制器在温室大棚的智能调控方面应用广泛[12],智能化技术较为成熟,因此也适用于垃圾箱的智能温控调节.

文中设计一种基于PLC的智能温控垃圾箱,通过安装湿帘-风机装置对垃圾箱进行封闭降温,为餐厨垃圾提供常温存储环境.运用三维制图软件建立垃圾箱的模型,通过计算南京市普通社区住宅的餐厨垃圾产量对垃圾箱的结构进行设计,配置合理的湿帘-风机降温装置.利用西门子编程软件设计垃圾箱的自动温控系统,实时监测垃圾箱内部温度变化,实现湿帘-风机系统的自动启停,维持垃圾箱内部温度处于设定范围,并利用触摸屏作为上位机,储存试验数据,观察温度变化情况.

垃圾箱外形为箱体式,内部可放置普通塑料垃圾桶,其正面开设投放口和垃圾桶入口,其中,垃圾桶入口为可关闭的推入门,由环卫工人将垃圾桶推运进出垃圾箱,垃圾桶入口上方有垃圾投放口,利用铰链连接,为自动闭合式,居民可直接通过投放口将垃圾投入至箱内的垃圾桶中.

根据南京市浦口区住宅小区的人数分布情况,选择拥有6～8层/栋的普通住宅小区,估算餐厨垃圾日产量,设计可降温垃圾箱的体积.生活垃圾日产量平均约1.2 kg/人,其中餐厨垃圾占比50%以上,按照户均人数3人/户,计算每栋楼的餐厨垃圾日产量.普通垃圾桶的容量为240 L,结合居民投放垃圾便利程度,每间隔两栋住宅放置一个可降温垃圾箱,垃圾箱可容纳2个240 L垃圾桶,垃圾箱及垃圾桶的体积参数如表1所示.

表1 垃圾容器体积参数 mm

垃圾箱侧面放置湿帘-风机降温装置,其中一侧为湿帘墙和水循环装置,另一侧为负压风机.为增加气流速率,湿帘-风机降温装置与垃圾桶位置错开,使气流从垃圾桶后方开始流动,减小垃圾箱内的平均温度差.湿帘-风机系统安装在垃圾箱箱体上,湿帘墙固定在湿帘框架的内部,负压风机安装在与湿帘墙相对的侧壁.湿帘框架包括雾化喷头、导水管、水泵、贮水池,雾化喷头位于湿帘框架顶端,贮水池位于湿帘框架底部,导水管贴合在湿帘框架内部,与水泵连通,水泵位于贮水池一侧.贮水池中的水通过水泵流向导水管,由雾化喷头喷淋到湿帘上,负压风机强制通风,使垃圾箱内外形成负压差,湿帘表面的水分被蒸发,产生降温效果,未被蒸发的水分由贮水池储存,实现水资源的循环使用,节约资源.垃圾箱结构如图1所示.

图1 垃圾箱结构示意图

1) PLC控制器.通过梳理分析系统输入、输出信号种类和数量,确定系统数字量输入信号为4个,模拟量输入信号为8个,数字量输出信号为4个.综合考虑系统需求、价格和性价比等因素,确定选取西门子S7-200smart系列的 PLC,主控器型号为CPU SR20,其自带20个数字量输入、输出点,满足系统输入和输出采集通道的需求,为满足模拟量输入的需要,增加一个8输入端口的模拟量模块,型号为EM AE08(8AI).

2) 传感器.系统数据采集模块主要采集垃圾箱内部各点温度,传感器贴近于垃圾桶的外壁面,选择热电偶传感器PT100,温度检测量程为0～50 ℃,检测精度为0.1 ℃,采用4～20 mA的温度变送器将热电偶信号转化成模拟信号.

3) 执行机构.湿帘-风机降温装置主要包含湿帘水泵、负压风机两个执行机构,降温装置启动后,水泵将水流泵出,浸润湿帘墙,并开启水循环模式,负压风机对垃圾箱进行强制通风,实现垃圾箱内外热量交换,达到降温的效果.

4) 上位机.为了实现数据输出及可视化,选择西门子触摸屏与PLC控制器连接,将温度监测数据及变化曲线显示到触摸屏上.在实际应用过程中,不同社区住宅的垃圾投放要求及处理时间不尽相同,因此可通过上位机控制降温装置的执行机构.

根据垃圾箱智能温控系统的功能需求和硬件选型需要,需要监控垃圾箱内外的温度及变化曲线;另外需要根据社区住宅规定的垃圾投放时间,调节系统启动时间,确保垃圾箱的封闭状态,并根据温度变化对湿帘-风机降温装置进行控制.因此,PLC控制器的输入点包括系统启动和停止按钮、读取系统时间开关、温度检测模块监测开关;输出点包括湿帘水泵、负压风机的开关等.具体硬件接线如表2所示.

表2 PLC的I/O口地址分配表

垃圾箱智能温控系统主要用于检测垃圾箱内部各个测温点的温度条件,并根据采集到的温度数据,反馈到PLC控制单元并经过分析处理后输出控制参数,控制降温装置的执行机构作出反应,从而实现垃圾箱内部恒温状态.PLC控制单元与西门子触摸屏连接,便于读取及存储垃圾箱的温度检测数据,可根据户外环境条件的变化通过上位机改变执行机构的启停条件.利用编译软件模拟西门子触摸屏的控制内容,温度数据检测主画面如图2所示,包括温度传感器的实时监测数据,温度变化曲线,湿帘水泵、负压风机的执行条件及指示灯.

图2 温度数据检测画面

软件流程包括3个子程序,分别为温度检测模块、系统时间读取模块、执行机构启停模块.系统软件流程如图3所示.

图3 智能温控系统软件流程图

由图3可知,智能温控系统开始工作后,所有设备进行初始化.初始化完毕后,启动读取系统时间模块及温度检测模块,开始采集垃圾箱内部温度及室外温度.系统判断当前时间与设定的开机时间是否一致,若系统到达设定开机时间,则对垃圾箱内部平均温度进行判断,若当前检测温度超过设定温度上限θ,则开启湿帘水泵、负压风机,进行强制通风降温调节.

为进一步对垃圾箱内的温度条件进行智能调控,利用PID算法设定垃圾箱的温度范围,调节湿帘水泵、负压风机的启停条件[13].传统的温室PLC控制根据设定温度上限对设备进行调节,容易造成执行机构启停频率过快,系统不稳定性增加.因此利用PID进行频率调节,有助于减轻CPU的计算负担,保持湿帘-风机降温装置的工作稳定性[14].该系统只对垃圾箱进行温度的控制,因此调用1个温度PID模块,根据需要确定PID的温度设定值、模拟量输入地址值、模拟量降温输出地址值.将垃圾箱的温度设为PID算法的目标函数,其函数公式为

f(w)=e-aM+(1-e-a)t,

式中: w为垃圾箱内的平均温度;M为系统的超调量;t为系统的调节时间;e-a为系统控制误差.

对于湿帘-风机降温装置在垃圾箱中的应用效果,需要进行现场试验验证,探究其降温效果是否能够达到要求.试验地点选择位于南京市浦口区点将台路40号的居民区(北纬32°8′,东经118°41′),试验时间为2021年6月,每隔10 min记录一次外界温度及垃圾箱内各个测温点温度,试验期间,室外温度条件35 ℃左右,检测数据具有实际参考价值.为减小户外气候条件给试验数据造成的误差,对户外空气相对湿度、风速进行检测,如图4所示.

图4 气候条件检测仪器

温湿度及风速检测选择接触式仪器,保留相对湿度条件差小于10%、风速差小于0.5 m/s的检测数据,筛选出20组数据,如图5所示.垃圾箱内平均温度保持在(25±2)℃,达到垃圾箱内部降温要求.

图5 垃圾箱内外温度分布柱状图

智能温控系统通过 PLC 控制器控制湿帘水泵、负压风机设备工作,从而达到垃圾箱内所需的温度条件,因此必须确保监测数据的准确性.在验证试验过程中对智能温控系统进行设备调试,平均温度的检测绝对误差均在0.5 ℃以内,说明基于PID算法的智能温控系统满足精度要求.上位机显示屏能够实时显示传感器检测数据及变化曲线,并且通过上位机可调整执行机构的工作条件.

1) 垃圾箱整体方案设计是以调研住宅小区的餐厨垃圾日产量为基础,根据国家规定的社区垃圾桶配置方案与居民垃圾投放的便利性,确定垃圾箱内部放置2个240 L垃圾桶,湿帘-风机系统安装在垃圾箱侧面,达到为餐厨垃圾提供低温环境的目的.

2) 提出了垃圾箱智能温控系统的总体方案.根据总体方案完成了系统硬件选型、PLC输入输出I/O地址分配.针对垃圾箱所需检测的温度条件,确定了系统软件流程并利用PID算法进行系统优化设计.利用PLC控制湿帘-风机降温装置自动运行,使垃圾箱内部维持恒温环境.

3) 试验结果表明,垃圾箱安装湿帘-风机装置能够达到降温的目的,户外温度处于35 ℃左右时,开启降温装置,箱内温度能够达到设定温度要求,维持在(25±2)℃.智能温控系统的传感器显示数据与实际检测温度基本一致,误差小于0.5 ℃,且能够根据环境要求,利用上位机智能调节湿帘水泵、负压风机的工作条件.因此,湿帘-风机系统能够应用于垃圾箱的温度调节.

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